獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽能充電器的設(shè)計(jì)

湯秀芬， 張 鑫， 米 晨

(寧夏大學(xué) a.物理電氣信息學(xué)院;b.設(shè)備與物資管理處，寧夏 銀川 750021)

0 引言

在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，利用光伏陣列來收集太陽能，再經(jīng)過直流-直流(DC-DC)變換器給蓄電池充電。由于日照時(shí)間是無法人為調(diào)節(jié)的，而光伏陣列的容量也由系統(tǒng)的投資所限制，僅用常規(guī)的充電策略不能達(dá)到高效利用的目的。如果陣列輸出不足以提供蓄電池在當(dāng)前充電情況下的充電所需能量時(shí)，陣列最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)方式的能量能全部利用;相反，陣列輸出能量超過蓄電池在當(dāng)前充電情況下的充電所需能量時(shí)，陣列就不能運(yùn)行在MPPT方式，太陽能將沒有得到充分利用，造成浪費(fèi)。而在大多數(shù)的實(shí)際場合，常用充電管理系統(tǒng)中，雖然陣列由于蓄電池接受電流小，不能運(yùn)行在MPPT方式下，但蓄電池充電至無太陽能輸出時(shí)還是在欠充狀態(tài)，這無疑是充電管理方法不當(dāng)造成的[1]。

本文以目前獨(dú)立光伏系統(tǒng)主流使用的閥控鉛酸蓄電池(VRLA)為研究對象，在設(shè)計(jì)太陽能充電器時(shí)，既要考慮太陽能電池的MPPT，又要考慮蓄電池的充放電特性。提出采用“馬斯定律”可接受充電電流和太陽能光伏陣列最大功率跟蹤相結(jié)合的方法，并對系統(tǒng)中VRLA蓄電池進(jìn)行高效充電管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量最大利用和延長蓄電池的使用壽命。

1 太陽能充電器的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由直流-直流(DC-DC)功率變換器和檢測與控制電路組成。負(fù)載對象為某小區(qū)的地埋燈照明系統(tǒng)，光伏陣列的選用是根據(jù)負(fù)載要求、蓄電池性能和轉(zhuǎn)換電路的損耗等情況來確定光伏系統(tǒng)所需的功率，即計(jì)算所需光伏陣列的輸出功率。選用江蘇省靖江市星光太陽能電池部件有限公司的型號為XG-180多晶硅光伏電池組件，具體參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)條件(日照強(qiáng)度1 kW/m2、大氣質(zhì)量 AM1.5、電池結(jié)溫25 ℃)時(shí)，最大輸出功率PM=180 W，開路電壓UOC=46.26 V，短路電流ISC=5.7 A，最大工作電壓UM=36 V，最大工作電流IM=5 A。VRLA蓄電池采用風(fēng)帆股份有限公司的型號為6-DZM-100的12 V 100 A·h電池，蓄電池組采用4塊鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，額定電壓為48 V。適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率變換電路拓?fù)溆?Buck、Boost、Buck-Boost和Cuk電路等，由于本系統(tǒng)中只需要實(shí)現(xiàn)升壓，所以采用電路結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高的Boost電路作為充電控制器的主電路。

1.1 DC-DC功率變換電路

功率變換Boost電路由儲能電感L、濾波電容C、功率開關(guān)管S和續(xù)流二極管D等組成。Up為光伏陣列的輸出電壓;Ub為Boost電路輸出至蓄電池的電壓。電路是一種將輸入電壓升高的非隔離直-直變換器，通過控制開關(guān)管的占空比可以控制升壓變換器的輸出電壓。根據(jù)電感電流是否連續(xù)，Boost變換器可分為連續(xù)工作模式、臨界連續(xù)工作模式和不連續(xù)工作模式，實(shí)際光伏發(fā)電系統(tǒng)要求運(yùn)行在連續(xù)工作狀態(tài)，輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為

改變開關(guān)管占空比可控制系統(tǒng)按照希望的電壓運(yùn)行。

電路拓?fù)淙鐖D1所示[2-3]。Boost主電路主要針對升壓電感參數(shù)和輸出支撐電容參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算選用電感L=2 mH，電容C=200 μF;開關(guān)管采用英飛凌公司的IGBT。

1.2 監(jiān)測與控制電路

圖1 Boost變換器原理圖

充電器的監(jiān)測與控制電路主要由單片機(jī)XC164CM和電壓、電流、溫度檢測等單元組成，如圖2所示。

圖2 充電器監(jiān)測控制電路框圖

選用16位單片機(jī)XC164CM作為控制電路的核心，時(shí)鐘頻率為40 MHz，具有豐富的內(nèi)部源:擁有64 KB片上可編程Flash，4 KB片上RAM;擁有專門的高速PWM輸出口CCU6，能方便地設(shè)置上下橋比的死區(qū)時(shí)間;具有14路的10位ADC轉(zhuǎn)換器及定時(shí)器模塊等[4]。在該系統(tǒng)中，采樣光伏陣列的輸出電壓 Up和輸出電流Ip，以及蓄電池的充電電壓Ub和充電電流Ib。利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器模塊的定時(shí)器中斷服務(wù)子程序計(jì)算出Up和Ip的乘積，找到最大功率點(diǎn)所對應(yīng)的電壓UPR。利用單片機(jī)中捕獲比較單元的定時(shí)器中斷，完成由Up和Ub構(gòu)成的電壓環(huán)的計(jì)算，得到占空比D，通過PWM模塊輸出，驅(qū)動功率開關(guān)管S，并根據(jù)Ub和Ib完成充放電的管理和監(jiān)護(hù)。

充電過程中，蓄電池的溫度[5]是一個很重要的參數(shù)。因此充電器中蓄電池溫度檢測是必須的。本充電器的溫度信號直接送入單片機(jī)的模擬信號接口，使單片機(jī)根據(jù)不同的環(huán)境溫度自動調(diào)整充電過程中的各轉(zhuǎn)換電壓值，進(jìn)行優(yōu)化充電。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤

光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法很多[6-11]，目前比較常見的方法有恒壓追蹤法、擾動觀察法和電導(dǎo)增量法等，由于擾動觀察法只需獲得電壓及電流參數(shù)，算法簡單、易于實(shí)現(xiàn)，故本系統(tǒng)中采用的是擾動觀察法。

充電器的控制對象為Boost變換器的輸入電壓UP，通過MPPT算法，調(diào)節(jié)DC/DC變換器PWM波的占空比，達(dá)到最優(yōu)的阻尼匹配，找到UPR，并通過數(shù)字PI算法使光伏電池輸出功率達(dá)到最大值。光伏系統(tǒng)輸出功率P和PWM占空比D的關(guān)系見圖3[12]。

擾動觀察法是通過改變Up，并給予一定的擾動，實(shí)時(shí)地采樣Up和Ip，計(jì)算出它們的乘積，得到光伏電池此刻的輸出功率Pk，將其與上一采樣時(shí)刻的功率Pk－1相比較，若大于上一時(shí)刻的功率，維持原來的電壓擾動方向;若小于上一時(shí)刻的功率，則改變電壓擾動的方向。這樣確保了Up向著使輸出功率增大的方向變化，從而實(shí)現(xiàn)MPPT?；贐oost電路的擾動觀察法算法流程如圖4所示。

圖4 基于Boost電路的擾動觀察法算法流程圖

3 優(yōu)化充電的控制策略

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的充放電控制技術(shù)會直接影響系統(tǒng)的性能。充電控制方法一方面影響到蓄電池荷電量的大小;另一方面關(guān)系到其使用壽命。對鉛酸蓄電池的充電有恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電等方法，由于在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，蓄電池的壽命直接決定了系統(tǒng)的壽命，所以不能簡單地使用恒流充電或者恒壓充電，必須對蓄電池的充電進(jìn)行更好的控制和保護(hù)[13-14]，為此提出優(yōu)化的三階段充電策略。

三段式充電法的恒流充電電流Ibs，恒流到恒壓的轉(zhuǎn)換電壓是57.2 V，浮充充電電壓是54.4 V。本充電器主程序流程圖如圖5所示。

圖5 充電器主程序流程圖

接通電源后，充電器在單片機(jī)的控制下進(jìn)行初始化(包括蓄電池安時(shí)數(shù)、充電電流倍數(shù)值設(shè)定)和讀取蓄電池的充電電壓Ub和電流Ib。充電器充電過程分為涓流短時(shí)充電、恒流充電、恒壓均衡充電和浮充充電4個階段。

3.1 涓流短時(shí)充電

涓流短時(shí)，充電用于蓄電池在充電初期已處于深度放電的情況，以穩(wěn)定的0.1C小電流涓流充電有利于激活蓄電池內(nèi)的反應(yīng)物質(zhì)，避免大電流充電對蓄電池造成損害，此階段由單片機(jī)啟動定時(shí)電路控制。

3.2 恒流充電階段

恒流充電階段，蓄電池的荷電狀態(tài)比較低，蓄電池采用比較大的恒定電流充電。但如果陽光不充足，光伏電池最大輸出功率小于設(shè)定恒流充電值Ibs時(shí)，蓄電池吸收的功率則會出現(xiàn)不能維持設(shè)定充電電流的情況。光伏電池所能提供的最大充電電流小于Ibs，這時(shí)無論如何調(diào)整占空比D，都不能維持蓄電池的充電電流為Ibs，誤差長期存在。同時(shí)，由于PI恒流充電算法中積分環(huán)節(jié)對誤差的累積作用，會使DC/DC變換器的占空比逐漸趨于極限值，而該極限值一般不對應(yīng)最大功率點(diǎn)時(shí)的占空比D，從而導(dǎo)致充電效率降低。Ib－D的關(guān)系曲線如圖6所示[15]。

圖6 Ib－D關(guān)系曲線

在這種情況下，為了提高充電效率，比較合理的方案是優(yōu)化恒流充電方案，PI恒流充電算法與MPPT充電算法結(jié)合，這樣才能以最接近Ibs的電流為蓄電池充電。而算法需要考慮的重要問題是PI恒流充電算法與MPPT充電算法之間的切換判據(jù)。如圖3所示，最大功率點(diǎn)M的明顯特征是dP/dD發(fā)生變號。如果設(shè)定初始工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)，PI恒流充電和MPPT充電之間的切換判據(jù)為Ib＞Ibs且dP/dD＞0時(shí)，則一定會存在PI恒流充電的穩(wěn)定工作點(diǎn)，MPPT充電切換為PI恒流充電;當(dāng)Ib＜Ibs且dP/dD＜0時(shí)，PI恒流充電切換為MPPT充電。由于切換是在dP/dD剛剛發(fā)生變號時(shí)進(jìn)行的，因此，切換點(diǎn)非常靠近最大功率點(diǎn)M;如果希望系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)右側(cè)，則判據(jù)應(yīng)改為，當(dāng)Ib＞Ibs且dP/dD＜0時(shí)，MPPT切換為PI恒流充電;當(dāng)Ib＜Ibs且dP/dD＞0時(shí)，PI恒流充電切換為MPPT充電。MPPT與PI程序流程圖如圖6所示。

圖6 MPPI與PI程序流程圖

3.3 恒壓充電階段

當(dāng)端電壓上升至恒壓均衡充電的電壓轉(zhuǎn)換值57.2 V時(shí)，轉(zhuǎn)入恒壓均衡充電階段，蓄電池容量繼續(xù)快速恢復(fù)。與恒流充電情況類似，同樣會出現(xiàn)日照不足時(shí)不能維持給定電壓的情況，也需要從PI恒壓充電算法切換為MPPT充電。切換判據(jù)與恒流充電類似，只是控制對象換為充電電壓，即PI恒壓充電切換為MPPT的判據(jù)為充電電壓 Ub＜UPS，且 dP/dD＜0;MPPT切換為PI恒壓充電的判據(jù)為Ub＞UPS且dP/dD＞0。本階段結(jié)束的判定依據(jù)是蓄電池端電壓產(chǎn)生負(fù)增量或充電電流逐漸減小降至小于1 A。

3.4 浮 充

滿足判定條件后轉(zhuǎn)入54.4 V的浮充充電階段，該階段用來補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，由于浮充充電算法與恒壓充電算法類似，只是電壓設(shè)定值不同，因此兩者判據(jù)一致，不再贅述。經(jīng)過定時(shí)控制后，充電過程結(jié)束。另外，充電過程中充電器隨時(shí)檢測蓄電池的溫度，溫度過高時(shí)，即使蓄電池進(jìn)入浮充充電狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將8塊12 V 100 A·h的電池分成兩組，4塊串聯(lián)為一組，分別對它們進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)。第一組采用無MPPT充電方式;第二組采用有MPPT充電方式。表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示:在同等條件下，接入MPPT裝置后，蓄電池的充電電流比無MPPT裝置情況下充電電流要高，蓄電池所接受的功率有了一定的提高，達(dá)到了預(yù)期目的。表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示出有MPPT充電器充電時(shí)測得的充電器的電壓、電流及效率數(shù)據(jù)，可以看出，充電器平均效率η≈91.5%。

表1 有MPPT和無MPPT充電器充電電流比較表

表2 有MPPT充電器充電效率表

5 結(jié)語

在研究獨(dú)立光伏系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析了基于PI算法的三段式充電方法的失敗原因，提出了MPPT與三段式充電相結(jié)合的充電策略，充電過程以三階段充電為基準(zhǔn)，采用分段設(shè)定參考電壓的方式實(shí)現(xiàn)對電池狀態(tài)的判斷。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了獨(dú)立運(yùn)行太陽能光伏轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中MPPT充電器的可行性，充電策略能充分利用太陽能，提高蓄電池的充電效率。

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